[发明专利]用于进行催化气相反应的方法、管束反应器和反应器系统

说明书

在进行催化气相反应的方法中，该方法具有以下步骤：a）提供管束反应器，该管束反应器具有填充有催化剂装料并被传热介质冷却的反应管束，b）输送反应气体通过催化剂装料，流入每个反应管的反应气体被分成至少两个分流，它们在不同点处在反应管的轴向上被引入催化剂装料中，催化剂装料具有至少两个不同活性的催化剂层，其中第一催化剂层在反应气体的流动方向上的活性低于至少一个另外的催化剂层的活性，并且在步骤b）中，将第一分流引入第一催化剂层中，并且将每个另外的分流通过第一催化剂层引入至少一个另外的催化剂层中。还提出了用于进行该方法的管束反应器和具有这种管束反应器的反应器系统。

技术领域

本发明涉及用于进行催化气相反应的方法和管束反应器，以及用于进行催化气相反应的反应器系统。特别地，本发明涉及进行具有不同温度最大值的放热催化气相反应。此类反应的一个示例是甲烷化反应。

背景技术

在天然气储量有限的背景下，人们对天然气替代品的生产越来越感兴趣。这种被命名为“SNG”的气体——“替代天然气”或“合成天然气”或“替代气体”基本上含有甲烷以及一小部分未反应的气体和其他气体，这些气体必须符合相应气体网络的进料规范（如果要向其中注入SNG）。

SNG可借助于合成气体（CO和/或CO₂、H₂和可能的其他组分（诸如水）的混合物）在煤或其他含碳物质（诸如废物或生物质）的基础上生产。在另一种方法中，甲烷化用于化学存储例如当通过可再生能源产生电力时产生的多余功率。使用这种电流通过电解产生氢。二氧化碳优选从工业过程的废气或从沼气厂获得。在这种情况下，用于甲烷化的进料气体几乎只由CO₂和H₂组成。

甲烷化关键取决于以下化学反应：

CO甲烷化：

CO2甲烷化（“更饱和的反应”）

氢转移反应（“WGS反应”）

此外，还发生了许多其他副反应，包括布杜阿尔（Boudouard）反应，其中一氧化碳分解生成碳和二氧化碳。

布杜阿尔反应：

这些反应通常用第VIII亚族的元素，优选用镍来催化。

所有反应均彼此平衡，其中平衡的位置可通过适当的措施改变。对于平衡位置，基本的工艺参数（压力、温度和反应组分的浓度）的相关性可从反应方程式获得：

在方程式（1）和（2）中，在产物侧获得体积的减小。另外，这两种反应均是高度放热的。结果是高压和低温将反应平衡转移到产物侧。然而，随着压力增加，其对反应平衡的影响变得越来越小。另外，由于氢气的分子尺寸小加剧，所有加压装置部件的壁厚均越来越大，并且对密封性的要求也越来越高。由于催化剂的最低操作温度，反应温度具有下限。提高反应温度必然会增加反应速率并相应地减小反应装置的尺寸。然而，缺点是由于反应平衡向离析物侧的转移和催化剂老化的增加而限制转化。

通过从反应体系中去除过程组分水H₂O，可将反应平衡进一步转移到产物侧。然而，这促进了根据方程式（4）由布杜阿尔反应形成的烟灰。这种反应被最低含量的水所抑制。具有几乎化学计量组成的进料气体是有利的，否则超化学计量组分被剩下。只要该组分在进料气体的规范要求之内，就没有问题。否则，需要分离，这导致成本增加。